1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功軟著陸月球，月球背面迎來(lái)人類(lèi)第一個(gè)軟著陸探測(cè)器。在嫦娥四號(hào)成功著陸背面的背后有一個(gè)值得一提的“功臣”——“鵲橋”中繼衛(wèi)星。

深空探測(cè)任務(wù)中難度最大的就是如何確保遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠建立，實(shí)現(xiàn)航天器和地面的實(shí)時(shí)通信聯(lián)絡(luò)，這也是世界各國(guó)都在致力解決的深空探測(cè)關(guān)鍵核心技術(shù)。而月球背面的通信問(wèn)題一直是困擾人類(lèi)登陸月球背面不可逾越的“鴻溝”，通過(guò)發(fā)射中繼衛(wèi)星為航天器和地球搭建天地通信鏈路，是一種較為常見(jiàn)的做法。

“鵲橋”是我國(guó)首顆，也是世界首顆地球軌道外專(zhuān)用中繼通信衛(wèi)星。作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，它能夠?qū)崟r(shí)的把在月面背面著陸的嫦娥四號(hào)探測(cè)器發(fā)出的科學(xué)數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳回地球。

人類(lèi)深空探測(cè)任務(wù)史上最大口徑通信天線(xiàn)

中繼星“鵲橋”上架設(shè)了一副展開(kāi)后口徑達(dá)近5米的傘狀天線(xiàn)，這是人類(lèi)深空探測(cè)器歷史上攜帶的最大口徑通信天線(xiàn)，它為“鵲橋”和地球之間鋪設(shè)了一架宏偉的高速橋梁，讓遙遠(yuǎn)的星地距離變?yōu)榇蟮劳ㄍ?，每時(shí)每刻將寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)從廣邈的外太空實(shí)時(shí)送達(dá)地球。

為了實(shí)現(xiàn)和保障“鵲橋”中繼功能的順利實(shí)現(xiàn)，研制人員給它配備了多副天線(xiàn)。其中，大口徑傘狀天線(xiàn)是最關(guān)鍵的一副，它直接指向月球，將與今年要發(fā)射的嫦娥四號(hào)探測(cè)器對(duì)接，不僅要將地面的測(cè)控指令說(shuō)給探測(cè)器聽(tīng)，還要聽(tīng)清楚探測(cè)器給中繼星說(shuō)了些啥。傘天線(xiàn)，顧名思義，像一把傘一樣，在中繼星與火箭分離一段時(shí)間后，這把“傘”就打開(kāi)了，這把“傘”在太空中需要經(jīng)歷嚴(yán)酷的考驗(yàn)。嫦娥四號(hào)中繼星在浩瀚的太空中還會(huì)經(jīng)歷一段沒(méi)有光照的陰影區(qū)，陰影區(qū)的溫度是-200℃左右，最冷的地方將達(dá)到-230℃，在如此嚴(yán)寒下，傘天線(xiàn)全身都“凍僵了”。為了讓它從“凍僵”的狀態(tài)中恢復(fù)過(guò)來(lái)，研究院的設(shè)計(jì)師們做了包括力學(xué)、熱學(xué)等不計(jì)其數(shù)的試驗(yàn)，有效保障了傘天線(xiàn)能夠克服嚴(yán)酷環(huán)境。

下面和小編一起來(lái)了解空間天線(xiàn)以及中國(guó)星載天線(xiàn)的成長(zhǎng)史。

天線(xiàn)，是我們?nèi)粘Ｉ钪泻艹Ｒ?jiàn)的一種通訊設(shè)備裝置，在我們頭頂上的那片神秘太空，也有天線(xiàn)的存在。這些天線(xiàn)主要裝在衛(wèi)星、飛船等航天器上，用于航天器與地面的雙向信息傳遞。

衛(wèi)星距離地面幾萬(wàn)公里甚至幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)公里，與地面的各種交流都是通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)的。而電磁波在穿越星際的過(guò)程中會(huì)有損耗，為了讓衛(wèi)星清楚的聽(tīng)到地面的指令，清晰將星上信息傳回，研制人員給衛(wèi)星裝上了天線(xiàn)?？梢哉f(shuō)，天線(xiàn)是衛(wèi)星的“順風(fēng)耳”或者“擴(kuò)音器”。天線(xiàn)已成為任何一個(gè)航天器不可或缺的重要組成部分，航天器天線(xiàn)影響并制約著整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)乃至整個(gè)航天器的性能和功能。

在我國(guó)研制發(fā)射的航天器中，80%以上的有效載荷系統(tǒng)的天線(xiàn)都是由中國(guó)空間技術(shù)研究院所屬的空間電子信息技術(shù)研究院研制的。據(jù)該院天線(xiàn)專(zhuān)家吳春邦介紹，他們?yōu)槲覈?guó)研制了第一副空間可展開(kāi)網(wǎng)狀天線(xiàn)、第一副空間相控陣天線(xiàn)、第一副星載遙感相控陣天線(xiàn)、第一副星載智能天線(xiàn)、第一副星載數(shù)傳相控陣天線(xiàn)、第一副星載導(dǎo)航相控陣天線(xiàn)。

從20世紀(jì)六十年代至今，我國(guó)的空間天線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三次技術(shù)跨越：

線(xiàn)天線(xiàn)時(shí)期（20世紀(jì)六十年代至八十年代）

▲東方紅一號(hào)線(xiàn)天線(xiàn)

這一時(shí)期，我國(guó)進(jìn)行了早期的通信衛(wèi)星研制，當(dāng)時(shí)的通信衛(wèi)星通信容量較小，以廣播服務(wù)為主，服務(wù)范圍較廣，衛(wèi)星的經(jīng)濟(jì)效益還不明顯，對(duì)天線(xiàn)的要求并不高，主要以喇叭天線(xiàn)、振子天線(xiàn)為主。我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)用的鞭狀桿天線(xiàn)就是線(xiàn)天線(xiàn)的一種。

面天線(xiàn)時(shí)期（20世紀(jì)九十年代至本世紀(jì)初）

▲中星6A衛(wèi)星賦形反射面天線(xiàn)

進(jìn)入上世紀(jì)九十年代，隨著商用通信衛(wèi)星的起步發(fā)展，衛(wèi)星通信容量逐漸增大，為提高天線(xiàn)增益和區(qū)域覆蓋能力，反射面天線(xiàn)得到了快速發(fā)展。通過(guò)對(duì)反射面進(jìn)行賦形優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同地區(qū)的靈活覆蓋；同時(shí)引入機(jī)構(gòu)組件使天線(xiàn)具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了覆蓋區(qū)的靈活機(jī)動(dòng)掃描。我國(guó)發(fā)射的大多數(shù)衛(wèi)星中，都有面天線(xiàn)，例如北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、中星系列部分通信衛(wèi)星、神舟飛船的中繼終端等等。

大發(fā)展時(shí)期（近十年來(lái)）

進(jìn)入本世紀(jì)后，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星家族不斷龐大，包括通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、載人飛船、深空探測(cè)器等各類(lèi)航天器，對(duì)天線(xiàn)也提出了越來(lái)越高的要求。

為了在不增加衛(wèi)星承載能力的前提下進(jìn)一步提升衛(wèi)星通信容量或探測(cè)能力，空間天線(xiàn)有了陣列技術(shù)、多波束技術(shù)和大型可展開(kāi)反射器技術(shù)等眾多新技術(shù)。

陣列技術(shù)是指把許多線(xiàn)天線(xiàn)按照一定規(guī)律排布在一起，極大地提高了天線(xiàn)在收發(fā)電磁波信號(hào)時(shí)的抗干擾能力，提高了衛(wèi)星的在軌可靠性。

多波束技術(shù)通過(guò)一副或多副天線(xiàn)形成數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)波束覆蓋某一特定區(qū)域，通過(guò)衛(wèi)星在地面上形成了類(lèi)似地面移動(dòng)通信領(lǐng)域的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，極大的提高了衛(wèi)星的通信容量。我國(guó)第一顆高通量衛(wèi)星——實(shí)踐十三號(hào)采用的就是多波束天線(xiàn)。

▲實(shí)踐十三號(hào)多波束天線(xiàn)

大型可展開(kāi)反射器技術(shù)使天線(xiàn)隨衛(wèi)星發(fā)射前收攏成較小體積，衛(wèi)星入軌后天線(xiàn)在地面指令控制下展開(kāi)并形成一張巨大的天線(xiàn)網(wǎng)，為航天器天線(xiàn)的創(chuàng)意性和前瞻性設(shè)計(jì)提供了無(wú)限可能。采用了大型可展開(kāi)反射器技術(shù)后，通信衛(wèi)星可獲得更高的通信容量，導(dǎo)航衛(wèi)星可提高定位精度，遙感衛(wèi)星可提高對(duì)地觀(guān)測(cè)精度，深空探測(cè)器可飛往遙遠(yuǎn)的月球、火星甚至太陽(yáng)系邊緣。

▲嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”傘狀天線(xiàn)

2018年5月21日發(fā)射的嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星上架設(shè)了一副口徑近5米的傘狀天線(xiàn)，這副天線(xiàn)屬于大型可展開(kāi)天線(xiàn)，這是人類(lèi)深空探測(cè)器歷史上攜帶的最大口徑通信天線(xiàn)。